未来二极管抽运固体激光器的重要发展方向是实现“三高”,即高功率、高效率和高光束质量的激光输出,而热效应将严重影响固体激光器的激光性能。作为极具发展前景的增益介质材料,激光陶瓷具有连续激光输出能力强、热导率高、可以高浓度掺杂等优点,并且容易实现大尺寸、批量化以及复合结构样品制备,而复合结构的增益介质可以有效改善固体激光器的热效应。其中,通过在激光陶瓷中制备光波导结构,可以高效散热、提高抽运效率,获得紧凑且具有高增益的激光系统,该类激光陶瓷有望解决“三高”固体激光器的核心问题。对光波导激光陶瓷的研究进展及其设计原理、制备方法和材料性能做了综述和介绍,最后对光波导激光陶瓷未来的研究做了展望和分析。

空间主反射镜拼接化是未来宇宙观测的发展趋势之一,相比传统的整镜形式空间主镜,拼接主反射镜具有大口径、突破运载器整流罩尺寸限制、高分辨率、轻质和主动调节等特点。根据国内外相关文献和研究项目中主反射镜的拼接化结构形式不同,将可展开拼接式空间主反射镜分为了在轨展开式、在轨拼接式和在轨分布式等三大类,并分别阐述了三种空间拼接主镜的概念、特点与拼接结构形式。按照三种分类形式分别介绍了目前已知的空间拼接式主反射镜项目的研究背景和研究内容。归纳了主反射镜拼接化结构所涉及的关键技术,总结了空间主反射镜拼接化结构设计在拼接精度和面形精度两个方面的研究难点。

硅光子模斑转换器是硅光子集成芯片与外部光纤连接的关键器件,在集成光路中起着至关重要的作用。标准光纤的模斑尺寸与纳米光子波导的模斑尺寸不匹配,导致标准光纤与纳米级硅波导直接对接时存在很大的耦合损耗,而硅光子模斑转换器能够显著减小它们之间的光损耗。硅光子模斑转换器的一端具有较大的模斑尺寸,与标准光纤的模斑尺寸相匹配;其另一端具有较小的模斑尺寸,与纳米硅光子波导的模斑尺寸相匹配,因此能够显著减小标准光纤与纳米硅光子波导之间的光连接损耗。综述了不同结构转换器的特点,对不同类型的转换器在结构、性能以及应用上的优缺点进行了比较与分析,对硅光子模斑转换器的前景进行了展望,并提出一些看法。

针对近年来毒品泛滥,严重威胁社会公共安全的现状,指出违禁物品分析检测技术对涉毒案件的现场排查及物证提取起着至关重要的作用;综述几种典型毒品,如阿片类、可卡因类、苯丙胺类、氯胺酮类等的表面增强拉曼光谱技术检测的进展,分析表面增强拉曼光谱现场、实时检测毒品存在的问题,认为具有灵敏度高、准确性好、操作简单等优越性能的表面增强拉曼光谱技术有望成为最重要的毒品检测手段之一,其未来的发展趋势为:构筑稳健性好的高品质基底,探索新型表面活性剂、稳定剂,开发新型便携式高信噪比拉曼光谱仪,研究泛化性好的智能识别算法。

激光清洗技术采用短脉冲激光对材料表面进行快速清洁,在工业制造、生产和维修等领域具有广泛的应用前景。介绍了激光烧蚀清洗、液膜辅助式激光清洗和激光冲击波式清洗三种典型的激光清洗方法,并综述了激光清洗技术的国内外研究现状。根据清洗材料本身的特点,列举了激光清洗技术的典型应用,并展望了其在国内制造业的发展方向。

随着荧光探针的出现,超分辨成像技术发展迅速,多种不同的超分辨显微技术产生并得到广泛应用。超分辨成像技术的发展为生命科学领域的研究提供了极大便利,也越来越受到研究者的重视。由于传统超分辨显微成像技术在成像速度、观察视野范围、系统成本等方面仍存在一定的限制,新型超分辨显微成像技术的发展让研究人员再次看到超分辨成像领域的曙光。介绍了近年来出现的几种新型超分辨成像技术,包括膨胀样品超分辨技术、表面增强超分辨技术和荧光偏振超分辨技术,旨在总结这些新型超分辨技术的发展,为生命科学领域提供新的技术参考。

金属微纳结构中有关光与原子、分子和量子点等物质的相互的作用研究是微纳光学领域的一个核心科学问题。近年来,得益于迅速发展的纳米材料制备方法和纳米加工技术,国内外学者在表面等离激元受激辐射的实现以及等离激元激光器的研制方面取得了许多重要进展。总结了基于金属微纳结构共振腔的表面等离激元受激辐射的出射方向性研究进展,归纳了可以提高方向性的共振腔结构,分别阐述了其中的物理机制,对于不同共振腔结构的特点与性质进行了分类比较。

大口径非球面光学元件具有优越的光学特性,在激光聚变、空间技术和大型光学望远镜等领域有着越来越广泛的应用。然而大口径非球面元件的大批量生产需要高精度和高效率的数控磨削、抛光技术,同时超精密大中型非球面光学元件大批量制造所面临的巨大挑战推动了现代光学测量技术朝着更高的效率、更高的精度和更高的自动化水平方向发展。根据非球面光学元件的加工工艺,系统总结了磨削阶段测量技术的研究现状,并详细说明了以上技术的原理,最后展望了大口径非球面元件磨削阶段测量技术的发展趋势。

血糖无损检测技术已经成为生物医疗领域研究的一大热点,光声技术基于组织内部的光学吸收差异性,以超声作为媒介进行血糖检测,从原理上避开了组织对光学强散射的干扰,为血糖无损检测提供了一种高灵敏度的测量手段。对近年来血糖光声无损检测技术的发展进行了综述分析,首先简要介绍了血糖光声检测的原理,然后重点对国内外血糖光声检测系统按照激励源的不同进行分类介绍,归纳了血糖光声检测的实验进展,以促进国内血糖无损检测技术的发展。

激光诱导等离子体点火(LIPI)具有点火位置可调、点火延迟时间短、无侵入式结构等优点,有取代电火花点火的潜力。从火焰核形成与发展的角度介绍了LIPI的基本物理过程,分析了点火过程中的能量沉积和转化。在现有研究的基础上,对包括激光烧蚀等离子体点火、多点激光等离子体点火、预电离辅助激光等离子体点火和重复频率脉冲激光等离子体点火的性能进行了评价,并分析了每种方法的优缺点。指出了当前激光等离子体点火系统存在的问题,包括点火机理不完善、对非预混燃烧系统的点火特性研究不足、最小点火能量高等,并提出了下一步的研究方向和建议。

同源双光路能见度仪是一种基于数字摄像法的能见度仪。通过CCD传感器获取的光源亮度是光斑提取算法及能见度反演模型的重要组成部分,而背景光噪声严重影响能见度反演准确性。针对复杂背景光干扰下能见度反演出现的较大误差,运用幅度调制方法重新设计调制光源,并对CCD采集的图片进行解调,以有效消除背景光。实验结果表明:光源幅度调制方法能有效去除背景光,并可消除随机噪声和相机暗电流噪声;当调制点数范围为32~128时,图像去噪效果较好,去噪后光斑图像峰值信噪比大于30;在上述调制点范围内,点数越大,峰值信噪比越大,则均方根误差越小。调制点数范围为32~128时,所提方法能显著提高能见度反演精度。

激光在大气湍流中传输时会发生波前畸变,从而降低无线光通信系统的性能。采用基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的无波前传感器自适应光学校正系统对远场的畸变波前进行校正。模拟结果表明,校正后系统的斯特列尔比由0.15提高到0.81,远场光斑能量更加会聚。以CCD相机探测到的远场畸变光斑光强值作为系统的目标函数,实验验证了SPGD算法对不同畸变像差光的校正情况。经校正,目标函数(中心900个像素点的灰度均值)由26.5,44.6,110.6分别上升到77.2,93.4,208.5,斯特列尔比由0.23,0.39,0.48分别上升到0.67,0.75,0.86,中心光强值增大且光斑能量会聚,该结果与理论结果相吻合。

为分析热-机械耦合作用下黏结材料对变形镜应力特性的影响,利用有限元方法建立了含黏结材料的变形镜模型。采用顺序耦合分析方法分析和比较了三种典型黏结材料对变形镜应力分布的影响,并讨论了在不同胶层厚度下变形镜最大应力的变化规律。结果表明,在实际的变形镜系统中,由于热-机械耦合作用,黏结材料的特性和参数会对变形镜的应力特性产生明显的影响。黏结材料对变形镜前表面的应力分布与面形峰谷值几乎没有影响,而对其后表面的应力分布影响较大,尤其会导致镜面与极头连接处的应力明显增大。对于不同的黏结材料,黏结材料的弹性模量和热膨胀系数越小,变形镜所受的应力越小。在三种典型的黏结材料中,胺类固化环氧5222材料对应的变形镜应力最大,酚醛环氧树脂T300材料对应的变形镜应力最小,而酚醛环氧树脂4221材料对应的变形镜应力居二者之间。此外,黏结材料的胶层厚度会直接影响变形镜的应力特性,其最大应力值随胶层厚度的增大而明显减小。在变形镜制作过程中,应在有效控制胶层内部气泡等缺陷产生的前提下选择较厚的黏结厚度。

在采用球填充理论生成八维调制格式的基础上,提出了一种基于八维调制格式的变速率方法。与当前变速率实现方法相比,该方法仅通过自适应地切换调制格式符号集即可实现更为精细的谱效率调整。仿真结果表明,这种基于八维调制格式的变速率方法可以自适应地实现谱效率的灵活切换,谱效率的调节粒度为0.25 bit。在符号速率为7 GBaud的条件下,比特速率的自适应范围为28~84 Gb·s ^-1。这种变速率方法可为弹性光网络提供精细的谱效率及比特速率的调整。

为实现光纤光栅中心波长的解调,写制了栅区长度小于1 mm、反射率大于60%、3 dB带宽大于1.5 nm、反射谱边缘有效线性区大于1.5 nm的超短光纤布拉格光栅(US-FBG)。以US-FBG为传感单元,提出了一种基于双波长激光的中心波长解调方法。当中心波长位于光谱线性区的稳频激光入射到US-FBG,随着光栅光谱的漂移,反射光功率随之变化并具有良好的线性关系,其实验结构的线性度为0.998。为了充分利用其反射光谱左右两侧的线性区,采用双波长激光的互补解调方法,将波长解调范围扩展到3 nm。将测量值与实际值进行比较,两者具有较好的一致性。该方法具有结构简单、功耗小、测量空间分辨率高等优势。

提出了一种光纤色散的简单快速测量方法。该方法采用光纤激光器结构,由Sagnac环和光纤耦合器组成的光纤环形镜作为谐振腔一端的反射腔镜,另一端反射腔镜为不同中心波长的光纤光栅。利用光开关依次构成n个独立的光纤激光器。通过对激光拍频的测量得到在不同波长下待测光纤的时延,进一步可以得到待测光纤的色散系数。利用该方法实现了对一根长度为500 m的色散补偿光纤的色散测量。结果表明,该方法切实可行、操作简单,能够实现光纤色散的快速测量,从而为通信系统中光纤的类型、长度等参数的合理选用提供参考。

面向光发射机信号畸变分析的应用场景,采取了一种相位近似缓变的相干检测系统,并借助聚类分析算法对畸变光信号进行分析预处理,精确估计畸变系数并实现较好的星座图恢复效果。该系统通过调整本振光传输链路长度使其与信号光传输链路的长度基本相等,本振光和信号光之间的相位差在较长的时间窗口内近似恒定,从而允许借助聚类分析方法对长时间窗口数据进行星座图的智能分析与预处理,基于聚类中心点位置计算获得畸变系数,同时以聚类中心位置作为参考进行后续均衡和载波相位处理。该方案解决了在信号畸变与相位噪声同时存在下的信号恢复难题,可实现精准信号畸变评估。在实验系统中使用聚类分析方法和盲相位搜索(BPS)算法对I-Q增益不平衡、I-Q幅度分布不均匀和I-Q相位误差三种发射机畸变信号进行处理,并进行相应的实验验证。仿真和实验结果均表明,该实验系统中聚类算法可对发射机的上述三种畸变损伤实现精确估计。

设计了一种双环减敏式结构,并对26 mm长的减敏基片进行有限元分析,分别在减敏基片左右端面各施加0.065 mm的拉伸与压缩位移。由仿真结果可得减敏基片的应变减敏比约为3.5,应变测量范围可达到±5000 με,同时可保证减敏基片在其材料的弹性范围内运行,不影响传感器的使用寿命。通过对500 με范围内的双环减敏结构的光纤布拉格光栅传感器进行拉伸实验,实验结果表明该结构设计可使得传感器线性度达到0.999以上,满量程精度约为0.1%。该传感器可实现实时准确的在线监测,系统数据采集迅速、可靠性极高,有望应用于如船舶、桥梁、飞行器等需要对关键结构进行较大应变范围测量的情况。

利用光纤分布式传感器对长距离输油管线等高危作业区域进行安全监测已被广泛研究和应用,但在使用过程中由于各种原因导致传感光纤断裂或损坏的情况时有发生,严重制约其对被测目标的长期监测。通过分析加载光纤传感器之结构,将传感光纤沿被测长度区间分为数段并建立若干传感控制节点,在节点间设置冗余光纤并组建全光远程控制系统,为目标传感器提供具有分段控制保护的故障位置自动诊断以及传感功能自动恢复的光纤智能传感系统。对传感结构进行故障概率的模拟分析和计算表明,该结构可有效地提升传感器的生存能力。拟将该系统应用于油田长距离输油管线安全监测的分布式光纤传感系统中,并提出相应的分段保护光缆连接结构。

基于image quilting纹理传输算法原理,研究纹理图像的梯度结构信息、源纹理图像与目标图像亮度误差对纹理传输效果的影响。在选择候选纹理块时,以纹理块的梯度结构信息与颜色误差同时作为判断标准。对源纹理图像进行亮度重映射,使其与目标图像的亮度处于相同尺度,可避免因亮度误差过大而导致无法获取最优块的情况。实验证明,与传统纹理传输算法相比,改进后的算法能取得更好的传输效果。

为了准确测量待检测物体厚度,提出了基于远心镜头的主动式激光三角测距的方法。而远心镜头采用平行投影的方式,使得像点位移与物体高度变化之间呈现线性关系,在此基础上建立了基于远心镜头的主动式激光三角测距模型,探讨了光学系统误差、机器装置误差、图像处理误差等影响精度的因素。实验结果表明,利用基于远心镜头的主动式激光三角测距的方法和补偿插值法得到的厚度测量平均误差能够达到5 μm以内。

为了获得高能X射线、α射线、γ射线和中子等粒子源的边缘增强图像,提出一种以螺旋波带片编码成像(ZPCI)技术。螺旋波带片同时具备径向希尔伯特变换和菲涅耳波带片聚焦的特点,因此,该技术相当于在采用菲涅耳ZPCI技术获得解码图像的基础上再进行一次径向希尔伯特变换。对该技术产生的边缘增强图像进行模拟计算和实验诊断,结果显示具有可行性。该技术在天文学、核医学和激光惯性约束聚变研究等领域具有广泛的应用前景。

图像去噪是数字图像处理中最基本的研究内容,也是一项十分关键的技术,一直以来是图像处理领域的难点。图像去噪的好坏直接影响后续图像边缘检测、特征提取、图像分割和模式识别等图像处理。为有效去除乘性噪声的影响,提出一种深度残差学习的乘性噪声去噪方法。该方法通过引入残差优化,解决了卷积神经网络在层数较多时,随着层数加深,梯度在传播过程中逐渐消失的问题。与4种经典去噪算法进行比较,结果表明,该方法在有效去除乘性噪声的同时,可以更好地保留图像的边缘和纹理区域的细节信息,为后续的图像分割、配准和目标识别等奠定基础。

为了解决传统图像拼接算法匹配率低以及拼接速度慢的问题,提出一种结合区域分块的快速BRISK图像拼接算法。采用频域相位相关算法寻找两幅图像间的相似部分,将其均匀划分成N×N'的图像块,计算各图像块的标准差,选择标准差较大且分布在不同位置的两个图像块,用BRISK算法进行特征点粗匹配。获得匹配点对后,构造有向线段并进行邻近线段匹配。通过随机选择的匹配点对计算投影变换矩阵,进行投影误差校正,最后进行加权融合和亮度均衡化完成图像拼接。实验结果表明:该算法能够保证图像拼接的正确率大于90%,并且拼接速度提升63.7%。

大多数基于样本块的图像修复算法通过平移来寻找最优匹配块,当破损区域与信息区域存在旋转或尺度缩放时,这些算法则无法对图像进行有效修复。针对这一问题,提出一种基于样本块的旋转及缩放图像修复算法。利用局部特征向量获得与破损区域具有旋转或尺度缩放关系的最优匹配块;对匹配块的空间能量函数进行拓展;实现具有旋转及尺度缩放破损图像的自动修复。实验结果表明,对于具有旋转和尺度缩放的图像,本文算法能够准确搜寻到破损块的最优匹配块,提高了匹配准确率,并且修复效果较好,修复效率较高,稳健性较强。

如何提高人脸图像的分辨率是计算机视觉中的经典问题。在视频监控中,由于目标人物距离摄像头较远,得到的往往是低分辨率的人脸图像。针对此问题,提出一种结合主成分分析(PCA)和最大后验概率(MAP)的人脸超分辨复原算法。利用PCA模型获得高分辨率人脸库的特征;通过MAP计算输入的低分辨率人脸图像在这些特征上的表示系数,并重建出其对应的高分辨率特征;对重建的特征进行约束增强;结合高分辨率人脸库的平均向量得到最终超分辨率复原的图像。为了验证本文算法的有效性,将AR人脸库中图片分别用本文算法与其他算法放大4倍,结果显示无论是在视觉效果还是在评价指标方面,本文算法都优于其他方法。本文算法不仅提高了人脸图像的分辨率,还更好地保持了图像的边缘信息。

为实现基于Kinect传感器的实时手势识别,并在保证识别精度的情况下缩短识别时间,提出一种基于卡尔曼滤波的手势图像提取方法,并研究基于该分割方法的三种特征的手势识别模型。通过Kinect获取图像和骨骼信息,基于卡尔曼滤波提取手势区域。为验证分割的高效性,采集10类手势的28000张样本,提取两种局部二值模式特征和一种方向梯度直方图(HOG)特征,用支持向量机(SVM)机器学习方法进行分类识别。实验表明,HOG+SVM的手势识别模型的识别精度可达97.09%,识别帧率为31 frame/s。在基于Kinect的应用中,基于该分割方法和HOG特征提取的SVM识别模型能够满足实时性的要求。

人脸识别的身份认证环节可能受到照片、视频等手段的恶意欺骗。在分析了照片人脸成像后的非线性变化特点后,从人脸边缘信息的变化特征着手设计了一种基于图像处理的人脸活体检测新方法。用改进的梯度方向直方图描述人脸主要轮廓,同时结合正、负样本的统计特征训练支持向量机分类器进行活体检测,最后在NUAA人脸数据库上开展了实验验证,结果表明,本文方法对真假人脸的检测正确率达到了97%。

针对传统的局部保持投影算法(LPP)直接使用数据的原始空间信息导致选取近邻不准确,以及LPP算法投影时忽略数据类别信息的问题,提出一种基于自适应近邻局部保持投影的人脸识别方法。该方法在特征提取时利用可变的相似度、近邻信息以及数据类别信息构建目标函数,使得在投影子空间中同类样本尽量紧凑,异类样本尽量远离。通过最小化目标函数自适应优化邻接矩阵与投影矩阵,用优化后的投影矩阵对高维数据进行降维,采用降维后的数据进行人脸分类识别。将该方法应用于扩展Yale人脸数据库、CMU-PIE人脸数据库、MSRA人脸数据库和CAS-PEAL人脸数据库中进行人脸识别,实验结果验证了其有效性。

为客观、准确地评价目标可见光的伪装效果,提出一种基于图像修复技术的伪装效果评价方法。利用具有针对性改进的图像修复技术构造伪装目标所在区域与周围背景融合度高的理想伪装图案;采用无参考图像质量算法得到理想伪装纹理近似度(即修复效果度量)以消除误差;对待评价伪装目标与近似理想伪装进行相似度检验;融合理想伪装近似度与结果相似度值对目标伪装效果进行综合评价。仿真结果表明,该评价方法的结果与目视观察的结果具有较好的一致性,可有效评价目标伪装效果。

针对传统去雾算法需要人工提取特征,对比度低、信噪比低等问题,提出一种基于多特征融合的卷积神经网络去雾算法。利用卷积神经网络算法模拟人类视觉系统对雾天图像进行层次化处理,实现自动提取特征。算法采用直接从雾天图像到清晰无雾图像映射的学习方式,该映射由特征提取、多尺度特征融合和浅层深层特征融合联合实现。多尺度特征融合提升网络对图像细节的重建,浅层深层特征融合则将浅层卷积得到的轮廓信息和深层卷积得到的细节信息进行融合,提升去雾重建的整体效果。实验结果表明,相比于单一尺度网络,多特征融合网络的峰值信噪比提高了1.280 dB。本文算法对自然雾天图像去雾效果明显,细节信息和对比度均优于其他算法,为去雾方法的研究提供了新思路。

立体匹配是计算机视觉领域研究的重点,大部分立体匹配方法都是将图像当作数字信息进行数学计算,缺少与实际人眼视觉特征的联系。结合人眼的同心圆拮抗式感受野以及符合人眼特性的HSI色彩空间模型对原自适应支持权重(ASW)算法的权重计算进行了改进,并通过左右一致性校验和中值滤波方法进行视差优化。在VS2010平台对几组国际标准图像进行测试,结果表明,相比原始ASW算法,该方法在低纹理区域、深度不连续区域的匹配精度都有所提高,根据测试图像的不同,提高程度在10%至20%不等,总体匹配精度和近年主流局部匹配方法相当。

分别采用单、双透镜系统研制短磁聚焦变像管,并利用Lorentz 3D-EM软件模拟电子运动成像,研究其成像畸变。当成像比例为1∶1、阴极电压为-3 kV时,模拟得到单、双透镜系统的空间分辨率分别为17.07 lp/mm和24.49 lp/mm;在离轴6 mm处,单、双透镜系统的成像畸变率分别为1.43%和0.98%;在离轴为12 mm处,单、双透镜系统的成像畸变率分别为7.5%和2.5%。实验结果表明:在离轴6 mm处,单、双透镜系统的成像畸变率分别为2.4%和0.9%;在离轴12 mm处,单、双透镜系统的成像畸变率分别为8.5%和3.2%。研究表明,采用双磁透镜成像系统有助于改善成像畸变,提高空间分辨率。

将偏振态显微成像技术应用于各向异性晶体生长的成像研究。以物体的偏振态作为物理量进行成像,将描述偏振态的3个Stokes参量转换成RGB三基色,实现用RGB的偏振色度值来表征相应的偏振态。在此基础上,利用共焦显微成像系统对物体进行逐点扫描,获得各向异性物体Stokes参量的空间分布,然后通过偏振色度值的分布来表征物体偏振态的空间分布。实验结果表明,偏振态显微成像技术能够直观地反映物体的全部偏振信息,有效地区分两种材料相同但内部结构排列不同的样品,通过观察晶体生长过程中各向异性的变化,为研究晶体的生长过程提供一种新的可视化方法。

为提高立体匹配算法的效果和稳定性,提出了一种基于色调(H)、饱和度(S)和明度(V)颜色空间的自适应聚合区域的引导滤波算法。结合图片的结构和纹理信息,通过颜色和横向梯度的相互作用计算初始匹配代价。在HSV颜色空间中运用颜色和距离信息计算每一点的自适应支撑臂长,解决了图片中红、绿、蓝3种颜色变化趋势相近导致无法有效反映图片信息的问题。自适应聚合区域利用中心点纵向臂上各点的横向臂进行构造,采用引导滤波的方法在自适应聚合区域内聚合代价空间。为避免中心点邻域信息波动造成支撑窗口过小的问题,设置了臂长的最小范围。后处理过程采用左右一致性检测结合峰比率检测的方法寻找误匹配点,通过近邻点匹配和加权中值滤波的方法修正视差图。采用Middlebury平台上的标准图片进行实验,结果表明所提算法的平均匹配误差为5.24%,比改进前的自适应窗口算法的匹配误差降低了0.92%,具有更好的边缘保持效果,算法参数稳健性较好。

为了同时获取目标光谱和偏振信息,基于正交双偏振法和声光可调谐滤光器,设计了一套分孔径同时式高光谱偏振成像系统。从高光谱偏振成像原理出发,介绍了成像系统的结构设计、光学设计和机械设计,利用穆勒矩阵理论对系统成像过程进行了分析。利用所设计的成像系统对三种伪装网和灌木丛进行检测分类实验。实验结果表明:伪装网与灌木丛的高光谱偏振特性存在较大差异,将光谱信息和偏振信息结合起来有利于提高检测能力和分类准确性;分孔径同时式高光谱偏振成像系统是一种有效、紧凑且可实时探测的高光谱偏振成像系统。

将传统散斑相关法应用于结构试件变形测量中存在一定的角位移范围限制,针对这一问题,提出了一种采用对数极坐标变换的散斑相关角位移测量法。首先,该方法采用对数极坐标变换,将结构试件散斑图像在直角坐标系下的角位移转换为对数极坐标下的平移;然后,利用散斑相关法结合九点二次曲面拟合法实现散斑图像的角位移测量;最后,通过模拟实验与实物实验验证了方法的有效性。实验结果表明,在[0°,90°]的角位移变化范围内,本方法角位移测量的均值误差控制在0.06°内,标准差控制在0.02°内,有效提高了现有散斑相关法的角位移测量范围与测量精度。

为了提升大F数下瑞奇-康芒检验的面形恢复精度,提出局部采样影响矩阵法,对干涉仪采集到的压缩椭圆图样按各像素点实际入射角大小分别建立影响矩阵,恢复像素点的面形偏差。通过该方法遍历整个平面镜镜面,得到平面镜面形。利用仿真验证了局部采样影响矩阵法的精度并和传统影响矩阵法进行详细对比,结果表明相较传统影响矩阵法,局部采样影响矩阵法在离焦、像散、三级彗差、三级像散、三级球差等因素下的精度提升十分明显,证明局部采样影响矩阵法更适合瑞奇-康芒检验的面形恢复。

核级石墨是高温气冷反应堆堆芯的主要构件材料,石墨材料的断裂性能研究和裂纹扩展过程分析对石墨构件的结构完整性分析具有重要意义。基于径向基函数(RBF)的滤波方法适合于低密度电子散斑干涉(ESPI)图的滤波,提出基于径向基函数滤波与质量图引导的解包裹算法结合的相位测量方法,通过模拟相位图对该方法进行验证,同时将其与传统的均值滤波方法进行定量比较。采用ESPI技术和三点弯曲方法对核级石墨试件的断裂行为进行测量,实验样本带有预制裂纹,记录裂纹演化过程中不同载荷下的ESPI包裹相位图,利用基于径向基函数滤波与质量图引导的解包裹算法获得各个时刻的相位等值线,给出了试件裂纹演化过程曲线图。结果表明,该方法可对核级石墨的裂纹演化进行有效的测量。

受噪声或探测器的非线性响应等影响,采用光学三维轮廓术装置实际摄取的条纹图的光强具有非正弦性分布的特点,这导致现有的随机相移提取算法在应用中存在计算不稳定的问题。对此,提出了一种两帧随机时域相移条纹图相移提取方法。该方法首先采用克莱姆正交化方法对条纹图进行处理,然后发展了一种基于矩阵范数的相移提取算法,进而应用二步相移算法获得了测量相位。由于使用了反正切函数解算相移,所提方法对非正弦条纹图不敏感,具有求解可靠、应用容易的特点。实验结果表明,所提方法精度高、速度快,优于现有的典型算法。

为获得超宽可调谐光波长信号分束,在二维光子晶体结构中设计了基于微谐振器的光信号分离器;通过耦合模理论定性分析了不同设计情况下光信号分离器的工作性能;用时域有限差分方法研究了两输出端对称的光信号分离器的工作特性,通过调节5×5微型谐振器的结构和整体柱的相对介电常数,分别得到了29个和38个通带,信道波导提取峰值波长与通带宽度的范围分别为1310.0~1655.5 nm和2.0~7.4 nm;该结构具有宽调谐通频带、有效滤除噪声信号以及同一峰值波长光信号等功率分束的特性;提出的结构在粗波分解复用设计、光信号功率均分设计、光学设计集成化等领域具有潜在的应用价值。

冲量耦合特性研究是分析激光清除空间碎片方案的基础。因大气传输效应和衍射极限等因素的影响,激光辐照到空间碎片上的光斑尺寸与厘米级碎片尺寸通常在一个量级,且空间碎片大多由爆炸解体和碰撞等原因产生,为非平面状,因此研究激光大光斑辐照非平面状碎片的冲量耦合特性是激光清除空间碎片的关键。以典型非平面状空间碎片(球体、正方体)为例,以碎片表面任一面积微元上的烧蚀反喷方向为微元表面垂直方向、任一面积微元上的冲量耦合系数与点辐照下的相同为前提,以积分角度推导了面积矩阵法。基于该方法研究得到了在大光斑辐照下,当激光能量密度或入射激光能量一定时,光斑尺寸和激光入射角度对冲量大小和方向的影响规律。该研究成果进一步丰富了激光清除空间碎片的理论,为激光清除空间碎片的方案设计提供了一定的理论指导。

通过皮秒激光对304不锈钢表面进行刻蚀获得了光栅微纳结构,分析了该微纳结构的尺寸及该不锈钢的表面形貌,研究了不同激光加工参数对微纳结构的影响。结果表明,平均功率对激光烧蚀率及光栅微纳结构尺寸具有显著影响;增大扫描速率,光栅微纳结构深度减小,宽度基本保持不变,激光烧蚀率呈不规则波动;加工次数的增大则会减小激光烧蚀率。激光加工不锈钢表面制备微纳结构的较优工艺条件为高平均功率、较大扫描速率和小加工次数,在该工艺条件下微纳加工不锈钢表面获得了超疏水性能。

采用光纤激光对3 mm厚的7050铝合金板进行了对接焊,分析了焊接工艺对焊缝成形的影响,并对接头的微观组织、化学成分、力学性能及断口特征进行了研究。结果表明,当激光功率为3 kW,焊接速度为4 m·min ^-1,光斑直径为0.2 mm时,能够得到性能良好的焊接接头。焊缝中心以等轴晶组织为主,晶界处弥散分布着Al-Cu金属间化合物,焊缝边缘为柱状晶组织,热影响区(HAZ)较窄。焊缝中无强化相析出,热影响区的强化相有所熔解。接头硬度分布不均匀,焊缝处硬度最低,热影响区发生明显软化。焊接接头抗拉强度为307 MPa,接头拉伸后断于焊缝,断口处有小韧窝,呈沿晶脆性断裂特征。

以1.5 mm厚的DP590双相钢为母材,将焊接时间、焊接功率、离焦量作为变量,进行了激光胶接点焊正交试验。研究了接头内部形貌特征,分析了焊接参数对接头静力学性能的影响规律,并观察了接头拉剪断口形貌。结果表明,当焊接功率为1800 W、焊接时间为1000 ms、离焦量为-3 mm时,胶接点焊接头的平均峰值载荷最大,为7529.30 N;激光胶焊接头的超声C扫描图像可划分为焊核区、空腔区、热影响区和胶层区,且利用超声C扫图像能有效测量焊核直径;焊接功率对接头的拉剪性能影响最大,焊接时间次之,离焦量最小;不同焊接参数下的接头失效模式均为界面断裂,焊点的断口上分布着拉长韧窝。

采用活性气体保护电弧焊(MAG)、激光焊和激光-MAG复合焊三种焊接方法,分别对SUS301L-MT不锈钢进行了对接焊,分析比较了三种不同焊接工艺对接头组织和力学性能的影响。结果表明,三种焊接工艺下得到的焊缝接头均为δ铁素体和奥氏体的双相组织,MAG焊接头的热影响区宽度达到了3 mm,而激光焊和激光-MAG复合焊的热影响区宽度仅为1 mm;三种焊接工艺下的接头残余应力峰值均分布在焊趾位置,MAG焊接头具有最高的纵向和横向残余应力峰值;激光-MAG复合焊接头的抗拉强度最高,达到906 MPa。

针对轴类工件表面毛刺、油污等附着物对视觉测量中角点检测的干扰问题,提出一种基于曲率与灰度复合的角点亚像素定位方法。该方法对图像感兴趣区域进行形态学和双边滤波预处理,消除毛刺和部分油污等附着物;根据曲率特性检测候选角点,利用角点处曲率角的多尺度不变性进行伪角点的预筛选,通过以角点为圆心的圆形窗口内灰度信息进一步排除伪角点,实现角点粗定位;根据粗定位角点和区域端点的连线,对原始图像的边缘点进行筛选,并对筛选后的边缘点进行最小二乘直线拟合,实现角点精准定位。实验表明,该方法有效克服了轴类工件表面附着物对角点检测的干扰问题,角点综合定位的重复性达到0.01 mm,角点定位算法精度达到0.004 mm,基于角点的综合测量精度为0.06 mm。

基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了Al、Si单掺和两者共掺纤锌矿CdSe晶体的能带结构、态密度分布、电导率及吸收光谱。结果表明,Al单掺体系的形成能最小,掺杂最容易,且Al与晶胞原子间的键合作用更强,体系最稳定;Si单掺体系的形成能最大,掺杂最困难;两种单掺体系中,平行于和垂直于晶体超胞c轴的Si-Se键较长,布居值较小,共价键弱于Al-Se键;Al/Si共掺体系的电导率最大,Al单掺体系次之,Si单掺体系的电导率最小;掺杂后各个体系的最小光学带隙均变宽,同时吸收光谱向高能方向移动显著,吸收变弱。

为了解决传统左手材料频带窄、损耗高的问题,基于等效电路模型理论和镜像对称原理,设计了一种新型左手结构。研究结果表明,此结构在16.5~25.4 GHz频段内的等效介电常数和等效磁导率均为负,绝对带宽达到8.9 GHz,并且具有低损耗特性。相比于传统的微带天线,基于此左手结构的微带天线的增益提高了3.38 dB,半功率波束宽缩小了41.11°,有效辐射功率得到明显增强。

对中心对称光折变晶体中扭曲孤子的形成及其稳定性进行了研究。结果表明: 在自聚焦非线性光格子中, 扭曲孤子存在于半无穷间隙和第一间隙中; 在半无穷间隙中, 扭曲孤子的状态不稳定; 在第一间隙中的扭曲孤子均处于稳定状态, 且存在区域随着晶格深度p的增加而增加; 对于给定的p, 扭曲孤子能流随传播常数b的增加而增加; 在相同的参数下, 阶数高的扭曲孤子占据的格子更多, 且能流更高; 在自散焦非线性光格子中, 扭曲孤子仅存在于半无穷间隙中, 并且所有的扭曲孤子均为不稳定状态; 当b较小时, 扭曲孤子含有较多的振幅振荡, 随着b增加, 扭曲孤子的能流和振幅振荡都变小。

在一些环境比较恶劣的情况下,需要密封使用的变倍望远镜,经常会将转像及变焦集成到目镜上,这样更有利于整体进行密封设计。因此设计了一种在可见光波段具有实像面转像变焦目镜的方案。通过对目镜初始结构的分析,高斯光学的计算,运用Zemax软件对选定结构进行优化设计,得到三组元4倍变焦目镜。目镜在变焦时入瞳的位置保持不变,出瞳位置的变化在3 mm之内。传递函数曲线、畸变和倍率色差均符合目视光学系统的设计要求。根据动态光学理论,用Matlab软件设计了凸轮曲线,使得变焦的过程中像面比较稳定,调焦平滑。虽然目镜结构略显复杂,但光学镜片均采用球面,降低了整体目镜的成本,而且便于加工装配。

采用SiO₂/Si构建了可见光波段的分布式布拉格反射镜(DBR),在其中加入SU-8光刻胶制备的中心腔,构成传统的布拉格反射波导(BRW),利用传输矩阵法分析了可见光在分布式布拉格反射镜和布拉格反射波导中的传输情况,并研究了介质折射率比、厚度和周期数等各因素对布拉格反射镜的影响以及SU-8的各参量对光子带隙的影响规律。针对传统布拉格反射波导硬件制备比较困难的问题,在SU-8中引入Si柱超表面,构成新型的布拉格反射波导。通过实验分析了超表面对缺陷模的影响,实验表明超表面具有调控缺陷模波长的作用,且新型布拉格反射波导阵列可完成可见光波段的分光功能,可用于改进光学仪器。

提出了一种并联五微环谐振器模型,利用传输矩阵法对并联微环的输出函数进行建模,采用Matlab仿真软件对输出频谱强度进行分析;设置微环间距与微环周长比分别为0.25和0.50,研究谐振器频带和叠加频带的频谱输出特性。通过优化传输耦合系数、系统折射率、微环半径等参数获得形状因子超过0.85,阻带串扰小于-25 dB的谐振器频带,并级联4个并联微环阵列,实现1×4密集波分复用器。

光谱分辨率是声光可调滤波器(AOTF)的关键。基于声光滤波器的工作原理,通过前后串联两个滤波器,设计了基于双滤波结构的超光谱成像系统。通过对单一滤波和双滤波结构特性的理论计算和实验测量结果的分析比较,可以发现在中心波长相等的情况下,双滤波结构的光谱宽度比单一滤波结构小,说明了双滤波技术在改善光谱宽度方面的优越性。另外,利用双滤波结构,结合倒置光学显微镜,设计了基于双滤波技术的显微成像系统。基于大量的胃癌组织超光谱显微图像,选取相关系数较小的三个光谱图像,使用RGB假彩色图像融合技术进行处理。经仿真实验发现,超光谱图像融合技术能够有效地改善图像的质量。

为了提高遥感影像的空间分辨率,将用于自然影像超分辨率重建的非参数贝叶斯字典学习模型引入到遥感影像处理领域,提出了一种基于非参数贝叶斯和纹理分块的单幅遥感影像超分辨率重建的改进方法。该方法利用Beta-Bernoulli process进行字典学习,建立字典元素和各参数的概率分布模型,并使用Gibbs抽样计算其后验分布。最后,在重构时先将影像块分为平滑块和非平滑块两种类型,对非平滑块利用高分辨率字典的后验分布及低分辨率影像块的稀疏系数重建出高分辨率遥感影像,而对平滑块仅采用双三次卷积方法进行重构。此外,区别于传统算法需事先设置较大维数字典以保证较高重建精度的不足,对字典维数进行非参数推导,获得较小维数字典,减少了运算量。实验表明,不论测试影像有无噪声,所提算法在视觉及定量评价指标上较传统方法均有改善,且重构速度较快。

钻井液具有携带岩屑、平衡压力等重大作用,为调整其性能,需要对其中的离子进行连续探测。利用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对钻井液中的金属元素进行了初步研究,对钻井液中存在的Ca、Na、Mg、K元素进行了LIBS分析,获得了这4种元素的最佳探测条件。结果表明:Ca元素的采集延时为400 ns,采集门宽为1000 ns;Na元素的采集延时为500 ns,采集门宽为1500 ns;Mg元素的采集延时为500 ns,采集门宽为1500 ns;K元素的采集延时为500 ns,采集门宽为1000 ns。这说明采用LIBS技术探测钻井液中的金属元素是可行的。实验光路的搭建、实验参数的确定以及其他影响因素的讨论,都会为将来LIBS技术在钻井液分析中的应用提供有价值的参考。

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术,研制了一套近红外波段的乙炔(C₂H₂)气体检测系统,该装置采用波长调制-多光程吸收光谱技术,提高了系统的检测灵敏度;为了优化系统测量条件,在压强范围为5.3~12.0 kPa和调制幅度为0.010~0.035 V条件下,测量了体积分数为5×10 ^-5的C₂H₂标准气体的光谱信号,并测量了不同浓度的C₂H₂在总压强为10.7 kPa时的二次谐波信号;为了进一步验证系统的稳定性,采集60 s的光谱信号,通过Allan方差分析获得了系统的最佳探测时间和探测极限。结果表明:压强为10.7 kPa且调制幅度为0.030 V时的二次谐波信号强度最大;C₂H₂气体浓度与二次谐波幅值呈良好的线性关系,并且C₂H₂体积分数为1×10 ^-6~5×10 ^-5时的测量误差较小,小于±2%;该实验系统的最佳探测时间为7.2 s,探测极限为2.8×10 ^-11;该仪器采用基于嵌入式系统设计的激光器驱动和数字锁相放大器,具有结构简单、体积小、便于集成等特点,适用于工业现场和气体运输等方面。

采用标准光荧光方法,在不加入探针或荧光、磷光染料的情况下,测量了具有56个和29个碱基的两种核酸单链样品的光致发光特性;该方法不会对样品造成破坏或污染。结果表明:当激发波长在310~410 nm之间时,能够在410~480 nm波长区间观测到样品明显的发光峰;两种样品的发光峰随着抽运波长的红移而红移,且发光峰的强度随激发波长的增加而先增强后减弱;具有两种不同碱基数和序列的核酸样品由于具有不同的电子能级结构而显示出了不同的光致发光特性,原理上可以用于甄别两种不同的核酸材料,有助于单链核酸样品的无损、无标记检测和鉴别。

通过建立原子层沉积(ALD)脉冲气体流场理论模型,分析了沉积过程中前驱体浓度的变化趋势,得到了原子层沉积腔中的优化沉积区域。在此基础上,开展了半球基底上Al₂O₃和TiO₂薄膜的均匀性实验。实验结果表明, 最佳优化区域内Al₂O₃和TiO₂薄膜的最大非均匀性分别为1.81%和1.74%,相比于非优化区域分别减小了47.1%和50.8%。当入射激光与半球中心轴的夹角为θ=0°时,制备的减反膜反射率在550 nm处达到最小值0.04%,θ=60°时反射率最大,为0.5%,而在其余位置反射率曲线均存在不同程度的偏移,当θ=60°时,偏移最大,为6 nm。

为了比较不同年龄段观察者的颜色色差评价差异, 研究视网膜锥细胞光谱响应分布差异, 基于灰色、棕色、蓝绿色、蓝色和紫色5个目标色, 共制作20对近同色异谱色样对。基于心理物理实验中的比较法, 对30名18~25岁和26名60~74岁观察者开展色差大小比较实验。结果表明, 不同年龄段观察者对20对近同色异谱色样对的色差大小表现出不同的评价规律, 所评估的目视色差呈负相关(协方差相关系数为-0.18), F检验差异显著。对灰色、棕色和蓝绿色的评价呈负相关(协方差相关系数分别为-0.99、-0.96、-0.84); 对蓝色和紫色的评价呈正相关(协方差相关系数分别为0.99、0.80)。